0 引言

隨著中國城市和經濟的迅速發(fā)展，城市路燈照明已經成為展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在帶來絢麗和方便的同時，也遇到了諸多問題。據調查，我國小型城市在夜晚9點后，大中城市在午夜12點后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、廣州這樣的繁華都市，凌晨2點以后，道路上也罕見行人、車輛。這時如果保持“恒照度”會造成資源的大量浪費;另外后半夜是用電的低谷期，電力系統的電壓升高，路燈反而會更亮，而我國現行70%的道路照明使用的高壓鈉燈，此類電網電壓的波動致使燈泡的實際使用壽命不超過1年，帶來了高額的維修費和材料費，并且系統難以及時反饋路燈運行的故障信息，無法進行遠程控制和處理，只能采取人工巡查方式。

路燈控制系統從最初的開關控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能，各種新技術被用于路燈監(jiān)控系統中。路燈控制方法有PLC控制，電力載波控制和無線網絡控制等。從路燈控制系統的成本、可靠性、信息化、應用前景等方面考慮，本方案采用ZigBee無線自組網網絡技術實現LED路燈節(jié)能控制的目的。

1方案系統設計

按照系統要求，本設計主要完成支路控制器和路燈及二者之間的通信網絡設計，其中支路控制器完成時間、光照信息的測量，路燈終端完成故障診斷和移動物體的檢測，利用ZigBee無線網絡技術實現支路控制器和路燈終端之間的通信。因此系統主要包括以下分系統：

電源穩(wěn)壓系統、支路控制系統、ZigBee協調器系統、Zig-Bee 路由和終端系統。其中電源穩(wěn)壓包括5 V 穩(wěn)壓和3.3 V穩(wěn)壓;支路控制系統包括時間模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和光照采集模塊;ZigBee協調器包括顯示模塊和鍵盤模塊;ZigBee路由和終端包括微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊和路燈控制模塊。系統結構框圖如圖1所示。

ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，在近距離無線網絡領域得到廣泛應用。ZigBee技術采用自組網絡，其網絡拓撲機構可以隨意變動，這一特點對實現路燈智能監(jiān)控系統的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。ZigBee的網絡拓撲結構可分為：網狀結構、星型結構和樹狀結構，考慮到樹狀結構能夠提高通信網絡的可靠性，因此本設計中無線系統的網絡拓撲采用樹狀結構，使用路由功能傳輸。無線系統由一個ZigBee協調器、若干個路由控制器和若干個路燈終端所組成，網絡示意圖如圖2所示。

根據ZigBee通信組網技術的特點，將ZigBee 技術與傳統的路燈控制模式相結合，根據不同路段及時間，對協調器設置不同的檢測與控制方式，能及時對路燈進行相應的控制并發(fā)現路燈損壞情況和它的具體位置，方便維修管理，實現按需節(jié)能、智能化管理，達到城市照明系統節(jié)能減排的目標。

2 系統硬件設計

2.1 支路控制器設計

根據系統功能，支路控制器主要包括時空電路、光控電路、鍵盤及顯示等，電路如圖3所示。

時間控制芯片采用的是DS12887芯片，其內部自帶鋰電池，外部掉電時，還可準確走10年之久，有12小時制和24小時制，數據可分二進制或BCD 碼傳送，使用非常方便。環(huán)境光檢測部分采用的是光敏電阻加LM339電壓比較器的測量方案。電阻RV2,R5,R9 及光敏電阻共同構成了惠斯頓電橋的兩個橋臂。在光線相對較強時，電路輸出端輸出低電平;當光線強度相對較暗時，電路輸出端輸出高電平。統共設置5個按鍵，采用獨立式鍵盤，包括時間調節(jié)鍵，模式選擇鍵及季節(jié)設置鍵。時間調節(jié)鍵三個，設置鍵、上調鍵和下調鍵，按下設置鍵開光標，上下調節(jié)鍵用來調節(jié)時間。模式選擇鍵，采用自鎖式按鍵，進行繁華和偏僻模式轉換。季節(jié)設置鍵，也采用自鎖式按鍵，進行夏季和冬季轉換。

2.2 ZigBee協調器設計

ZigBee協調器負責組建網絡與信息的收發(fā)處理工作。協調器不斷采集主機發(fā)來的開關路燈與開關雷達指令，通過發(fā)送不同的字符給終端使其作相應的操作。

同時能夠顯示故障地址，并能對故障信息進行清除。當接收到終端和路由發(fā)來的故障地址時，將地址顯示在LCD上。由于CC2530的IO口資源較為緊缺，所以設計時選擇串口驅動方式。故障維修人員記錄檢查故障信息，維修員維修之后，需要將原有的故障信息清除，此時只要按下故障清除按鍵即可。ZigBee協調器接口電路如圖4所示。

2.3 ZigBee路由和終端系統

ZigBee路由和終端系統接收來至協調器開關燈與開關雷達的指令，某個路燈出現故障時發(fā)送本路燈的地址給協調器。因此ZigBee路由和終端系統由微波雷達檢測模塊、故障檢測模塊及LED路燈控制模塊組成。

2.3.1 微波雷達檢測模塊

微波雷達傳感器受氣流、溫度、塵埃的影響較小，因此設計中選用標準的10.525 GHz微波多普勒雷達探測器HB100進行移動物體檢測。在人與車稀少的區(qū)段開啟移動物體檢測模塊，當有移動物體在路燈所檢測的范圍內活動時開啟路燈;當移動物體離開后保持路燈處于低亮狀態(tài)一段時間，STC15F104單片機提供延時，并由P3.1口輸出控制信號。電路如圖5所示。其中CC2530的P2.1口控制三極管的通斷決定單片機與雷達模塊是否上電工作。三極管的發(fā)射極與基極電阻R4 使三極管更有效截止與導通。

2.3.2 故障檢測模塊

故障檢測電路如圖6 所示。夜晚開啟路燈的同時開啟故障檢測模塊，路燈正常工作時光線強，比較器輸出低電平;路燈故障時，光線較暗，比較器輸出高電平。

由于比較器輸出的只是高低電平，出現故障變?yōu)楦唠娖?，此時如若直接連接到ZigBee模塊上它會不斷的發(fā)送故障信息，造成系統資源的浪費。設計中用STC15F104單片機不斷的檢測比較器的輸出端，出現故障時由P3.3端向ZigBee模塊輸出一個負脈沖。單片機的工作電源由ZigBee 模塊的LED 端控制，保證系統在高亮時段實時檢測故障從而節(jié)約了系統資源。